1、第三章金属结构的连接,结构金属结构是由型材、锻件、铸件采用一定的连接方式组成的能够承受载荷的工程结构。当前，起重机中常见的连接是焊接、栓接和铰接。 本章学习的重点1）学会选择合理的连接方式2）掌握承载能力的计算方法,3.1连接的方式及其特点,一，方法 焊 接：（广泛应用）螺栓连接：（用于常装拆的结构）分为：普通螺栓和高强度螺栓铆钉连接：（国外仅用于特重型桥吊主梁）胶合连接：（国内未采用）销轴连接：（用于两构件间的连接） 二，特点 焊 接：制造简便，省工省料，不削弱构件截面易于自动化操作；但易产生残余应力和变形、焊接缺陷，质量不易检查。螺栓连接：易装拆，质量易检查，塑性、韧性好，但费工费料，削易
2、构件截面，动载作用下易松动；高强度螺栓除具有普通螺栓优点以外，还具有传力均匀，应力集中小，疲劳强度高等优点，但螺栓制造和连接表面要求较高。铆 接：承动载能力强，低温下工作较可靠，但不能拆。,3.2连接的材料,一、焊接焊接的材料与焊接的方法有关，焊接的方法达35种之多，常用的 1. 焊接方法1）气焊、氧炔焊焊接薄板、切割金属。2）电弧焊手工电弧焊设备简单、操作灵活，生产效率低，质量受人为因素波动较大。埋弧自动焊生产率高、易于实现自动化。气体保护焊焊接质量高。3）电渣焊焊接后钢板。 2. 焊接材料1）手工焊焊条按照等强度选取。焊Q235，常用E43XX焊条，如E4303、E4315、E4316焊Q
3、345，常用E50XX焊条，如E5003、E5015、E5016焊Q235与Q345的混合连接，E43XX（一般）、E50XX（贴脚焊、受力较大的部位）,3.2连接的材料,2）埋弧自动焊焊丝+焊剂Q235H08、H08A、H08Mn+高硅型焊剂；Q345H08MnA、H10Mnq+低锰型或无锰型焊剂; 3）气体保护焊焊丝+气体（CO2、氩气） 二，螺栓连接 普通螺栓 Q235-A,Q235-B,35； 高强度螺栓 螺栓：d24mm.45,40B,20MnTiBd24mm.20 MnTiB,35VB螺母：45，15MnVB垫圈：45(平垫圈),3.2连接的材料,螺栓连接的力学性能等级3.5S12
4、.9S10个等级，“.”前的数值是抗拉强度的1/100，“.”后的数值是屈强比的10倍。所有的力学性能等级都含有相应的材质和热处理工艺，根据性能等级可以直接查出螺栓连接计算所需要的单栓承载能力。所以螺栓的标注以后以性能等级作为材料的标注。依据螺母的厚度，螺母的强度等级与螺栓的性能等级有固定的搭配关系（4H12H）0.8D的厚度时，8H8.8S；9H8.8（16mm)9.8S（16mm),3.3焊接接头的形式与焊缝型式,对接接头：搭接接头：T字接头：角接头：,3.4焊接接头的静强度计算,一，对接焊缝的静强度计算 1.承受轴力的对接焊缝：h=N/Af=N/lfh式中：lf焊缝计算长度：有引弧板时
5、lf=b无引弧板时 lf=b-52mmh焊缝许用应力，查表23（P36）,3.4焊接接头的静强度计算,2.承受剪力的对接焊缝（纯剪）=Q/Af=Q/lfh式中：lf、同前，h查表23,3.4焊接接头的静强度计算,3.N、Q、M共同作用下的对接焊缝情形1：危险点：A、B.A：h=N/Af+M/Wf hB: h=QSf/Ifh,3.4焊接接头的静强度计算,情形2：危险点：A，B.A：hA=N/Af+M/WfAhB：,3.4焊接接头的静强度计算,二、贴角焊缝的静强度计算1.贴角焊缝的应力分布规律及破坏形式1）侧焊缝（1）应力分布规律：不均匀，两头大中间小（2）破坏形式：剪切破坏，破坏面为最小剪切面（
6、45o工作面）,3.4焊接接头的静强度计算,2）端焊缝（1）应力分布规律：复杂，应力集中在根部（A点）； （2）破坏形式：多样。,3.4焊接接头的静强度计算,3） 围焊缝（三面围焊）：塑性低于侧焊，静强度和侧焊相当，疲劳强度高于侧焊。由于贴角焊缝差别较大，受力复杂精确计算十分困难，多数国家采用以实验结果为主要依据的计算方法。 2，贴角焊缝发计算假定：除忽略焊接残余应力及焊缝的增高影响外，做如下几点假定：1）不分侧缝和端缝2）以焊接的最小截面45o斜面作为计算截面3）不论连接受拉、压、剪、弯、把计算应力均视为剪应力。,3.4焊接接头的静强度计算,3，贴角焊缝的静强度计算 1）连接受轴向力的搭接接
7、头例1.,3.4焊接接头的静强度计算,N=N/Af=N/(lff)hf焊缝计算厚度； f=0.7hflf焊缝计算长度之和；lf连接一边焊缝的计算长度之和，按下面规则取值。焊缝计算长度的规定：（1）各条侧缝或端缝的最小计算长度取为8 hf且不小于40mm（由构造保证）.（2）侧焊缝的最大计算长度受静载：每条侧缝取lf60hf受动载：每条侧缝取lf40hf（超出部分不考虑）,3.4焊接接头的静强度计算,2）受弯矩M的T字接头危险点：AIfx对轴x求惯性矩，称为轴惯性矩法。,3.4焊接接头的静强度计算,3）承受M的搭接接头计算假设： （1）构件为绝对刚性， 焊缝为弹性； （2）在M作用下，构件 焊缝
8、计算截面型心作相对 转动。由上面假设有：在任意一点处，i大小于其到O的距离成正比，方向垂直于连线当点距O为单位长度r=1时，焊缝计算应力为：1当点距O为单位长度r=i时，焊缝计算应力为：i 1/r1=i/ri r1=1 i=1r i,3.4焊接接头的静强度计算,所以： 1=M/IP 任一点处：i=1ri=riM/IPmax=rmaxM/IP 离形心最远的焊缝所受的剪应力。强度计算式：max=rmaxM/IPh 极惯性矩法 max=rmaxM/(Ix+Iy)h轴惯性矩法（常用）,3.4焊接接头的静强度计算,4）复杂焊缝的强度计算（1）承受N、Q、M的工字形截面接头的贴角的焊缝 将外力P、N向焊缝
9、截面简化得：Q=P，M=Pe ,N. 计算焊缝截面几何特性参数：Af,Af,If,WfA,WfB,3.4焊接接头的静强度计算,危险点：A，B强度计算A:hA=N+MA=N/Af+M/WfAhB： 式中：Af焊缝总面积.Af腹板焊缝部分的面积. WfA,WfB分别为A，B点的抗弯截面模量,3.4焊接接头的静强度计算,（2）承受N，Q，M的搭接接头 将外力向形心转化得：N，Q=P，M=Pe假设：在N，Q作用下，应力由全部焊缝均担 任一点处：N=N/Af()Q=Q/Af()在M作用下，离O点最远的点为A，B点.,3.4焊接接头的静强度计算,危险点：A（见右上图分析）maX=MAsin() sin=y
10、max/rAmaY=MAcos() cos=xmax/rA强度条件：其中：MA=rAM/IP=rAM/(Ix+Iy)MAx=Mymax/IP MAy=Mxmax/IP,3.5设计焊接结构的注意事项,根据资料统计，疲劳失效占金属结构失效形式的（8090）%，尤其对经常满载，频繁工作，承受变载，动载的港口装卸用的起重机，疲劳破坏往往从焊接接头处开始产生。 一、合理选材：塑、韧性好抗裂性好，慎用高强度钢材。板厚一般min4mm max40mm Q235max30mm Q345,3.5设计焊接结构的注意事项,二、构造设计：合理布置焊缝，注意细节处理.,1.焊缝不宜太集中,3.5设计焊接结构的注意事项,
11、2.避免焊缝主体交叉（使主焊缝连续，次焊缝断开）3.避免焊缝布置在易产生应力集中处,3.5设计焊接结构的注意事项,4.不同厚（宽）的钢板对焊接时，应使力流平滑过渡 （满足表32的不等厚板对接厚度差时，可不开斜口） 对接：6mm (手工焊)8mm（自动焊）应开剖口，剖口形式详见机械设计手册或国家标准,3.5设计焊接结构的注意事项,5.不允许采用单面搭接端焊缝6.焊缝布置应便于施工,3.5设计焊接结构的注意事项,7.焊缝重心线应尽量与构件重心线重合焊缝的分配比例8.承静载时，宜优先采用二面侧焊承动载时，宜优先采用三面侧焊桁架节点,3.6普通螺栓连接,一、分类：普通螺栓： 粗制类孔，孔-d栓=12m
12、m，用于主要受拉的连接 精制类孔，孔-d栓=0.20.3mm, （铰孔）用于同时承拉，剪，或受剪连接.（钻模、钻、冲孔、扩钻、铰孔）,3.6普通螺栓连接,二、连接形式： 剪力螺栓连接 拉力螺栓连接 拉剪力螺栓连接三、螺栓布置的极限尺寸要求 布置方式及要求： 并列 错列,3.7剪力螺栓连接计算,一、受轴心力作用下的受剪螺栓连接破坏形式：栓杆剪断，孔壁或杆身压坏，板端剪裂，板端拉裂，板拉断常见破坏形式：栓杆剪断，孔壁挤坏，板拉断。 计算内容：螺栓、构件 计算方法：先计算所需螺栓数，后进行布置先按经验布置，后验算,3.7剪力螺栓连接,按方法.1.所需螺栓数：nN/Plmin式中：Plmin单螺栓抗剪
13、许用承载力pjl和孔壁抗压许用承载力Plc中的较小值pjl=njd2l/4 l 许用剪应力见表37Plc=dlc lc许用压应力表37 d 挤压面积同方向承压构件的较小总厚度,3.7剪力螺栓连接,2.构件强度计算：设BA （如取构件板B计算）: 危险截面： 并列布置时为第1列栓孔处（截面）错列布置时第1列栓孔处（截面） 第1，2列及其后面栓孔处的锯齿形截面（）强度验算：=N/AjAj截面： Aj=A-n1d截面：,3.7剪力螺栓连接,二、偏心力作用下的受剪螺栓连接外力向螺栓群心o转化 假定：在过o的P力作用下，各栓受相同剪力，RP=P/n在M作用下，连接板绕群心o旋转，各栓受剪力，大小与其与o
14、距离成正比，方向垂直于连线oi； R1/r1=Ri/ri=K Ri=Kri Rmax=Krmax,3.7剪力螺栓连接,分析：危险螺栓？Rmax=?危险螺栓：4和6 在M作用下：,3.7剪力螺栓连接,在P作用下：RP=P/n 危险螺栓强度条件：式中：Plmin取Plj和Plc中的较小者.,3.8拉力螺栓连接,一、轴心作用下的拉力螺栓螺栓破坏截面螺纹、根部。考虑杠杆反力及应力集中因素的影响，将螺栓许用应力降低20%N/nPll,3.8拉力螺栓连,式中：Pll单栓抗拉许用承载力. Pll=lld02/4ll螺栓抗拉许用应力. ll=0.8螺栓材料许用应力d0螺纹内径,3.8拉力螺栓连接,假定连接法兰
15、（板）刚性足够大，在M作用下，连接板绕受压边排螺栓线：x- x轴转动，各螺栓所受拉力与其到x- x轴的距离成正比。,3.8拉力螺栓连接,Pi/yi=Pmax/ymax Pi=Pmaxyi/ymax M=niPiyi=niyi(Pminyi)/ymax=niyi2Pmax/ymax Pmax=ymaxM/(niyi2) 螺栓强度条件：Pmax= ymaxM/(niyi2)Pll,38拉力螺栓连接,三、偏心受拉螺栓,3.8拉力螺栓连接,当e时：先计算e=M/N =Ix/n|ymax| 再判断：e 或 e而后计算：Pmax 螺栓强度条件：PmaxPll,3.9拉剪螺栓连接计算,根据试验结果：在拉剪联
16、合作用下，符合园形相关公式 若螺栓的计算拉力、剪力分别为Pll和Pjl，则强度条件为,3.10高强度螺栓连接设计计算,一，概述 1，分类摩擦型：是工程中主要的应用种类。承压型：摩擦力、螺栓剪力和承压力三者共同作用在连接中。螺栓受拉型我国当前列入设计规范的仅摩擦型（GB122884钢结构用高强度大六角螺栓连接副）。 2，工作原理依靠强大预紧力产生的摩擦力抵抗剪切滑动，以出现剪切滑动时状态作为连接失效的极限状态。,3.10高强度螺栓连接设计计算,二、摩擦型高强度螺栓的强度计算 1，轴心力作用下的剪力螺栓连接N/nPP但栓抗滑许用承载力. P=ZmfPg/nZm传力摩擦面数；f摩擦系数（与表面处理方
17、法有关），查规范P41Pg预拉力（预紧力）.查规范P41n安全系数(按载荷工况确定）.,3.10高强度螺栓连接设计计算,2，偏心力作用下的剪力螺栓连接计算公式同普通螺栓，许用承载能力为上面的计算结果。,3.10高强度螺栓连接设计计算,3，剪力和拉力作用下的剪力螺栓强度条件抗滑承载能力PQP抗拉承载能力Pt0.7PgP=Zmf（Pg-1.25Pt）/n 4，受拉连接 轴向许用载荷sl螺栓钢材的屈服点Al螺栓的有效面积，规范P41载荷分配系数,3.10高强度螺栓连接设计计算,5，被连接件的强度计算每个螺栓所产生的摩擦力N：N/n n为螺栓总数第一排为n1个螺栓产生N N/nn1的摩擦力N=N-N=
18、N-(N/n)n150%=N（1-0.5n1/n）被连接件的强度条件：= N/AjAj为净载面积,3.11销轴连接设计计算,一，销轴计算静强度w=M/ww max=QS/(IB)=16Q/(3d2)w=d3/32=0.1d3w销轴许用弯曲应力不重要及受载不大：Q235，w=125N/mm2载荷不大，要求韧性较高： 20正火回火w=125 N/mm2有一定强度及加工塑性要求：35正火回火w=165 N/mm2调质w=175 N/mm2广泛应用： 45正火回火w=195 N/mm2调质w=215 N/mm2载荷较大，无很大冲击的重要轴.40Cr调质w=245 N/mm2,3.11销轴连接设计计算,
19、二,销孔耳板的计算危险截面：BB，AA,3.11销轴连接设计计算,耳板孔壁承压应力计算 N耳板的轴向力； D销轴直径； 总厚度； c许用挤压应力； 由弹性力学，应用弹性曲梁公式计算危险载面应力,第三章 作业,3-1 验算图示工字梁腹板对接焊缝的强度。已知拼接处的内力为M=9.8102kNm，Q=4102kN，钢材为Q235，许用应力=176MPa，采用E4303焊条手工焊，用普通方法检查焊缝质量。 3-2 图示支托与柱采用贴角焊缝连接，贴角焊缝高度hf =6mm。柱与支托材料为Q235，许用应力=176MPa，用E4303焊条手工焊，采用普通方法检查焊缝质量。试确定P的最大值。,第三章 作业,3-3 某搭接托架结构如图示， 受偏心载荷P=92kN作用。连接板材料为Q345，用E5015焊条手工三面围焊（用引弧板），焊缝高度hf =10mm，许用应力h=140MPa，试验算焊缝强度。3-4 图示接头采用6个M20的精制螺栓连接。构件板厚16mm，连接件板厚10mm材料均为Q235，许用应力=176MPa，连接受外载P=40kN作用。问：1）连接强度是否满足要求？2）若改用6个M20，力学性能等级为10.9s的高强度螺栓，连接面喷砂后涂无机富锌漆，连接强度是否满足要求？,
